井筒穿越采空区地层的综合预治理方法

摘要

本发明公开井筒穿越采空区地层的地面综合预治理方法，包括如下步骤：(a)以拟建井筒中心为中心，在拟建井筒周围开设治理钻孔；(b)在地面通过治理钻孔向采空区输送充填材料。本发明能够有效地应对井筒施工遭遇的采空区危害，在井筒开挖前对采空区进行预治理，保证井筒掘进施工安全和建成后井筒运行期间安全。

说明书

技术领域

本发明是涉及煤矿井筒施工安全领域，特别涉及井筒穿越采空区地层的 地面综合预治理方法。

背景技术

随着浅部煤炭资源日益枯竭，深部煤炭资源的延伸开采日益增加，在双 系煤田赋存的地区尤其普遍。在浅部煤田资源已经开采殆尽的背景下，形成 了规模庞大、形态各异的采空区和废弃巷道等地下空洞，成为深部资源开采 井筒建设不可回避的问题。煤矿井筒建设必然要穿过上述采空区，为掘进施 工带来极大困难和危害，主要表现在以下方面：

(1)采空区的空洞和不稳定岩体：多数采空区上覆岩层都会随时间的推 移出现崩塌垮落、断裂弯曲等现象，发生竖向沉降、横向错动等变形，原有 的空洞和冒落岩块形成的破碎带为井筒掘砌支护、井壁浇筑施工等带来困难。

(2)老窑水：某些积水采空区为井筒施工带来困难，且极易涌水工作面 形成突水。

(3)有毒有害气体：主要是指采空区内积存的瓦斯、一氧化碳、二氧化 碳、硫化氢等，这些气体进入掘进工作面后，必然使气体超标形成安全隐患， 影响掘进施工。

(4)井筒直接揭露采空区后，会使封闭的采空区内气体重新流动，导入 氧气，易引发火灾，破坏矿井通风，危及安全。

(5)即使在工作面对采空区进行处理，保证井壁浇筑通过后，周边一定 范围内采空区的不稳定岩体仍对井壁安全有威胁，会造成井壁变形或破损， 且会有漏水串风。

目前井筒施工应对采空区危害，主要方法是停止掘进施工，进行以井壁 浇筑为主要目的的工作面治理，称之为“后治理”。工作面进行采空区的充填 和加固时，采用如下步骤：①打设木点柱进行临时支护，以井筒为中心，均 布划分若干区段进行施工；②利用打好的木点柱为依托，用阻燃性风筒做临 时性区段风墙；③由井筒开始逐步向外清理区段通道至见到煤层底板；④通 道打“井”字型砼背板垛子；⑤砼垛打顶、帮锚杆、锚杆由井筒向外逐渐打， 打一根注一根，上一块托板；⑥在立井壁外做砂浆片石密闭墙且在区段充填 砼围墙。这种方法采用在掘进过程中对遇到采空区进行充填加固，先确保基 岩掘进的支护和井壁浇筑，井筒通过后再采取大量的壁后充填注浆进行补充 加固，如果检测到采空区和井筒有串风现象，在地面还要在井筒周围打孔， 进行封闭注浆。

这种掘进过程中的“后治理”方法，是一种被动治理的方法，必须中断 掘进施工，在井下狭小的工作面进行，且治理范围有限，往往费时费力费财， 且治理不彻底，后续仍需二次、三次治理。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供井筒穿越采空区地 层的地面综合预治理方法来应对井筒施工遭遇的采空区危害，在井筒开挖前 对采空区进行预治理，保证井筒掘进施工安全和建成后井筒运行期间安全。

本发明的技术方案是这样实现的：井筒穿越采空区地层的地面综合预治 理方法，包括如下步骤：

(a)以拟建井筒中心为中心，在拟建井筒周围开设治理钻孔；

(b)在地面通过治理钻孔向采空区输送充填材料。

上述井筒穿越采空区地层的地面综合预治理方法，在步骤(a)中：治理 钻孔与拟建井筒中心的距离为10m～35m。

上述井筒穿越采空区地层的地面综合预治理方法，治理钻孔分布在2～3 个圆周上，圆周均以拟建井筒中心为圆心，相邻两个圆周的半径差为10m～ 15m。

上述井筒穿越采空区地层的地面综合预治理方法，在同一圆周上：相邻 治理钻孔的间距为15m。

上述井筒穿越采空区地层的地面综合预治理方法，利用钻机进行造孔并 下放套管，每个治理钻孔选择安放Φ127～168mm套管，套管底部要超过第四 系深度，且能够保证反复扫孔；基岩段治理钻孔直径为Φ60～110mm。

上述井筒穿越采空区地层的地面综合预治理方法，治理钻孔施工时采用 隔孔施工；通过治理钻孔向采空区输送充填材料时由外向内施工，即：先通 过外圈圆周上的治理钻孔向采空区输送充填材料，再通过内圈圆周上的治理 钻孔向采空区输送充填材料；每个治理钻孔均在第一层采空区治理完毕后或 者在预定深度未揭露采空区时，方可向下一层采空区延伸钻进；同一层采空 区先进行外围封堵充填，再进行内部密实充填。

上述井筒穿越采空区地层的地面综合预治理方法，充填材料包括骨料、 膨胀性材料、水泥粉煤灰浆液、黏土水泥浆和水泥水玻璃双液浆；骨料为粗 砂或米砂石，充填方法为地面投放，采用水或浆液携带的方式进行；膨胀性 材料为无机发泡材料，作外围孔的围挡充填；在水泥粉煤灰浆液中：水固重 量比为0.8：1～1.15，水泥和粉煤灰的重量比为1：5～4：6，水泥为32.5级以 上的复合硅酸盐或普通硅酸盐水泥，粉煤灰为II级灰以上；在黏土水泥浆中： 水泥为P.042.5普通硅酸盐水泥，水泥加入量为100～300kg/m³，黏土水泥 浆比重为1.15～1.30，水玻璃加入量为10～30L/m³；水泥水玻璃双液浆：水 泥浆和水玻璃浆的体积比为2：1～1：1，水泥浆中水灰重量比为2：1～0.75：1， 水玻璃浆波美度为28～38°Bé。

上述井筒穿越采空区地层的地面综合预治理方法，在距离拟建井筒较远 的外圈钻孔使用骨料和/或膨胀性材料；距离拟建井筒较远的地层不是主要受 力部位、受力较小，其对于填充的密实性要求较低、不需要将采空区全部填 满，这些地方的填充材料主要起到围挡或挡墙的作用，因此在这些地方使用 骨料和/或膨胀性材料进行填充时仅需要少量的骨料和/或膨胀性材料就能将 采空区封闭或封堵住；若使用浆液进行填充，则会消耗大量的浆液，成本很 高；在距离拟建井筒较近的地层是主要的受力部位、井筒建设过程中承受很 大的力，这就需要将距离拟建井筒较近的采空区填满而达到密实填充的目的， 而使用本发明中的水泥粉煤灰浆液、黏土水泥浆或水泥水玻璃双液浆能够将 距离拟建井筒较近的采空区填充密实并且凝固后强度很高；本发明的这种填 充材料使用方式一方面使得拟建井筒周围的地层能够完全满足井筒建设的要 求指标，另一方面也会大大降低井筒建设成本。

上述井筒穿越采空区地层的地面综合预治理方法，通常情况下使用水泥 粉煤灰浆液对裂隙或孔隙进行填充，凝结后的强度较高；但在出现老窑水和/ 或有害气体的治理钻孔中使用黏土水泥浆，因为本发明的黏土水泥浆在填充 裂隙或孔隙的时候，密实性很高，能够对水和有害气体进行有效地隔离，使 得水和有害气体不能通过裂隙或孔隙进入井筒，确保井筒建设安全施工。在 需要缩短施工时间的时候使用水泥水玻璃双液浆，这是因为：在施工时间紧 迫的时候，如果使用水泥粉煤灰浆液或黏土水泥浆作为填充材料，一方面水 泥粉煤灰浆液或黏土水泥浆凝结时间长，另一方面在注浆量较大的时候不可 能无限制地注入浆液；而使用本发明中的水泥水玻璃双液浆可以有效地控制 浆液扩散距离，缩短浆液凝结时间，这样就可以在消耗较少浆液量的情况下 实现裂隙或孔隙的充填，进而大大缩短施工时间。

上述井筒穿越采空区地层的地面综合预治理方法，在地层有空洞的地方 使用骨料和/或膨胀性材料；如果在有空洞的地方使用浆液填充，有可能消耗 成千上万立方米的浆液，而且未必能够将采空区封闭或封堵住；如果使用骨 料和/或膨胀性材料进行填充，则很容易地将空洞封闭或封堵住，然后再使用 浆液对裂隙或孔隙进行填充，这样就可以将采空区封闭或封堵住，能够大大 减少填充材料的使用，节约成本且提高填充效率。

在地层有裂隙或孔隙的地方使用水泥粉煤灰浆液、黏土水泥浆或水泥水 玻璃双液浆，这样在消耗填充材料较少的情况下即可实现密实填充，并且使 得地层的强度大大提高。

在本发明中，根据地层条件和充填要求来选择使用不同的充填材料，使 得井筒建设施工安全有保障，并且井筒建设施工效率大大提高，实现施工人 员安全和施工经济效益同时得到保证。

本发明适用于在井筒开凿之前，对即将穿越的采空区地层的破碎岩体、 老窑水、有毒有害气体(瓦斯、一氧化碳等)地质危害进行综合治理，是一 种有别于传统的在凿井工作面进行治理的创新方法。本发明是在井筒开挖之 前，围绕拟建井筒布置治理钻孔，并利用钻机进行钻孔；每圈钻孔均自上而 下逐步揭露不同行深度的采空区，每揭露一层采空区，即通过地面钻孔并利 用浆液、骨料和其它材料对采空区进行充填治理，完成井筒中心向外半径约 40m范围内的采空区充填密闭，不仅将冒落带、裂隙带等不稳定岩体进行加 固，而且将采空区内的老窑水、瓦斯、一氧化碳等挡在充填体之外，使其在 井筒掘进至采空区(已充填)时不能进入工作面，为井筒掘进创造安全的工 作环境，并有利于井筒建成后的安全使用。

外圈钻孔原则上要多投骨料配合注入浆液，能快速堆积；内圈钻孔原则 上以浆液注入为主，保证采空区的空洞、冒落带、离层与裂隙带得到有效治 理。多个钻孔可以同时进行充填施工，拟建井筒施工任务时间紧时可与凿井 施工平行作业。每个钻孔施工任务结束后，均要求进行封孔，且须完全充填 封闭，不能导水导气。

本发明的有益效果是：本发明的技术方案是在井筒开挖之前，在地面用 钻机钻孔，揭露采空区，利用设备将浆液、骨料等充填材料输送至采空区及 上覆不稳定岩层中，完成对井筒穿过的采空区的空洞、破碎岩体、水、气等 危害进行处置，实现井筒掘进施工前对采空区的预治理，是一种全新理念的 井筒过采空区施工技术。本发明的技术方案具有如下优点：①在井筒开凿前 主动进行治理，且施工在地面进行，施工安全性高；②不仅能治理不稳定岩 层，而且能对水、气等危害进行处理，使得井筒建设施工过程中不会扰动采 空区，有效地杜绝老窑水或有害气体等进入井筒中，确保井筒内的施工安全； ③不仅能保证井筒掘进施工安全、施工连续性以及缩短施工时间，而且有利 于井筒建成后长期运行安全；④工艺简单，材料来源广泛，费用较“后治理” 低，节约井筒建设施工成本，经济性好；⑤治理施工安全性高。

附图说明

图1为本发明井筒穿越采空区地层的地面综合预治理方法的在拟建井筒 周围设置钻孔的平面布置示意图；

图2为本发明井筒穿越采空区地层的地面综合预治理方法的钻孔施工纵 向剖面示意图。

图中：1-1、1-2、1-3、1-4、1-5和1-6均表示内圈治理钻孔；2-1、2-2、 2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8、2-9、2-10、2-11和2-12均表示外圈治理 钻孔；100-治理钻孔；200-拟建井筒，300-钻机；400-采空区；500-充填材 料，600-浆液；700-地面；J-中心孔，R1为4米，R2为12米，R3为25米。

具体实施方式

如图1和图2所示，假设拟建井筒净直径8.0m，下部有两层采空区，以 此为例对本发明技术方案进行阐述。

(1)以拟建井筒中心为中心，在拟建井筒周围地面布置两圈治理钻孔， 内圈治理钻孔6个(1-1～1-6)，内圈直径为24m；外圈治理钻孔12个 (2-1～2-12)，外圈直径为50m，设中心孔J一个，作为最后的质量检查孔 和补充孔。在同一圈上：相邻治理钻孔的间距为15m。利用钻机进行造孔并 下放套管，每个治理钻孔选择安放Φ127～168mm套管，套管底部要超过第四 系深度，且能够保证反复扫孔；基岩段治理钻孔直径为Φ60～110mm。

(2)治理钻孔总深度要进入最下一层采空区底板1.0m，期间对每揭露 一层采空区时，治理钻孔均要求进入该采空区底板0.5～1.0m，以治理钻孔 取芯判层为准。未揭露采空区治理钻孔亦要求进入对应的最下一层煤的底板。

(3)施工时采用2～3台钻机，围绕拟建井筒隔孔施工，原则上“先外 后内，先疏后密，先上后下”。即多层采空区时须先治理好上面一层采空区， 方可向下延伸治理钻孔；通过治理钻孔向采空区输送充填材料时由外向内施 工，即：先通过外圈圆周上的治理钻孔向采空区输送充填材料，再通过内圈 圆周上的治理钻孔向采空区输送充填材料；同一层采空区先进行外围封堵充 填，再进行内部密实充填。

(4)充填材料包括骨料、膨胀性材料、水泥粉煤灰浆液、黏土水泥浆和 水泥水玻璃双液浆：

①骨料为粗砂或米砂石，充填方法为地面投放，采用水或浆液携带的方 式进行；

②膨胀性材料为无机发泡材料，用作外围孔的围挡充填；

③在水泥粉煤灰浆液中：水固重量比为0.8：1～1.15，水泥和粉煤灰的 重量比为1：5～4：6，水泥为32.5级以上的复合硅酸盐或普通硅酸盐水泥， 粉煤灰为II级灰以上；另外，也可以加入控制浆液黏度的添加剂，如水玻璃， 水玻璃添加量为每立方米水泥粉煤灰浆液添加10～40L；

④在黏土水泥浆中：水泥为P.042.5普通硅酸盐水泥，加入量为100～ 300kg/m³(即每立方米水加入100～300kg水泥)，黏土水泥浆比重为1.15～ 1.30，水玻璃加入量为10～30L/m³(即每立方米水加入10～30L水玻璃)；

⑤水泥水玻璃双液浆：水泥浆和水玻璃浆的体积比为2：1～1：1，水泥浆 中水灰重量比为2：1～0.75：1，水玻璃浆波美度为28～38°Bé。

在距离拟建井筒较远的外圈钻孔使用骨料和/或膨胀性材料；距离拟建井 筒较远的地层不是主要受力部位、受力较小，其对于填充的密实性要求较低、 不需要将采空区全部填满，这些地方的填充材料主要起到围挡或挡墙的作用， 因此在这些地方使用骨料和/或膨胀性材料进行填充时仅需要少量的骨料和/ 或膨胀性材料就能将采空区封闭或封堵住；若使用浆液进行填充，则会消耗 大量的浆液，成本很高；在距离拟建井筒较近的地层是主要的受力部位、井 筒建设过程中承受很大的力，这就需要将距离拟建井筒较近的采空区填满而 达到密实填充的目的，而使用本发明中的水泥粉煤灰浆液、黏土水泥浆或水 泥水玻璃双液浆能够将距离拟建井筒较近的采空区填充密实并且凝固后强度 很高；本发明的这种填充材料使用方式一方面使得拟建井筒周围的地层能够 完全满足井筒建设的要求指标，另一方面也会大大降低井筒建设成本。

通常情况下使用水泥粉煤灰浆液对裂隙或孔隙进行填充，凝结后的强度 较高；但在出现老窑水和/或有害气体的治理钻孔中使用黏土水泥浆，因为本 发明的黏土水泥浆在填充裂隙或孔隙的时候，密实性很高，能够对水和有害 气体进行有效地隔离，使得水和有害气体不能通过裂隙或孔隙进入井筒，确 保井筒建设安全施工。在需要缩短施工时间的时候使用水泥水玻璃双液浆， 这是因为：在施工时间紧迫的时候，如果使用水泥粉煤灰浆液或黏土水泥浆 作为填充材料，一方面水泥粉煤灰浆液或黏土水泥浆凝结时间长，另一方面 在注浆量较大的时候不可能无限制地注入浆液；而使用本发明中的水泥水玻 璃双液浆可以有效地控制浆液扩散距离，缩短浆液凝结时间，这样就可以在 消耗较少浆液量的情况下实现裂隙或孔隙的充填，进而大大缩短施工时间。

在地层有空洞的地方使用骨料和/或膨胀性材料；如果在有空洞的地方使 用浆液填充，有可能消耗成千上万立方米的浆液，而且未必能够将采空区封 闭或封堵住；如果使用骨料和/或膨胀性材料进行填充，则很容易地将空洞封 闭或封堵住，然后再使用浆液对裂隙或孔隙进行填充，这样就可以将采空区 封闭或封堵住，能够大大减少填充材料的使用，节约成本且提高填充效率。

在地层有裂隙或孔隙的地方使用水泥粉煤灰浆液、黏土水泥浆或水泥水 玻璃双液浆，这样在消耗填充材料较少的情况下即可实现密实填充，并且使 得地层的强度大大提高。

在本实施例中，根据地层条件和充填要求来选择使用不同的充填材料， 使得井筒建设施工安全有保障，并且井筒建设施工效率大大提高，实现施工 人员安全和施工经济效益同时得到保证。

(5)注浆结束压力(孔口压力)为1.0～2.0MPa，外围孔可执行低值， 内圈孔可执行高值；充填施工浆液流量(泵量)为100～500L/min，结束时 可采用小泵量施工。

(6)治理钻孔偏斜率宜小于1/100，即每100m水平偏斜不大于1.0m， 如有巷道孔等确保能够揭露巷道。

(7)钻孔机械采用回转钻机，能够快速移动，本实施例采用XY-4以上 级别；注浆泵要求耐压等级超过8MPa，流量满足100～500L/min；其它施工 设备机具包括钻孔窥视仪、测斜仪、止浆塞、搅拌设备、自动上料与计量设 备等均为现有技术中己知设备。

本实施例的技术方案具有如下有益效果：

(1)对新建井筒须穿越的煤矿采空区进行综合预治理，改变了在工作面 “后治理”的被动治理方式；

(2)不仅可以完成对破碎岩体加固，还把采空区的老窑水、瓦斯、一氧 化碳等有害气体进行了封闭，使其无法进入凿井工作面；

(3)完成治理后的采空区，为凿井施工提供了一个安全快速的工作环境， 具有重要的安全效益；

(4)治理后的采空区有利于井筒建成后的安全运行，有利于井壁安全、 矿井通风安全；

(5)对比“后治理”，本发明具有明显的经济效益，可大大节省矿井建 设投资，加快施工速度，缩短建设周期。

(6)适用于煤矿由浅部资源向深部资源延深的立井井筒、斜井井筒，适 用于单层、多层采空区。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发 明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说 明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有 的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发 明创造权利要求的保护范围之中。